2 Прокаріотичні організми

2 Прокаріотичні організми. Бактерії.

Бактерії - це дрібні прокаріотів, що мають клітинну будову. Через мікроскопічних розмірів клітин від 0,1 до 1030 мкм бактерії отримали назву мікробів або мікроорганізмів.

Бактерії живуть у грунті, воді, повітрі, снігах полярних областей і гарячих джерелах, на тілі тварин і рослин і всередині організму. Особливо багато їх в грунті - від 200-500 млн. До 2 млрд. І більше особин в 1 г в залежності від типу грунту.

Мал. 6. Бактерії: 1, 2 - бацили; 3 - спірохети; 4 - коки; 5 - спірили; 6 - вібріони; 7 - стрептококи і диплококки; 8 - сарціни; 9 - ниткоподібні і 10 - жгутикові форми

За формою і особливостям об'єднання клітин розрізняють кілька морфологічних груп бактерій: кулясті (коки), прямі паличкоподібні (бацили), вигнуті (вібріони) спіральні зігнуті (спірили) і ін. Коки, зчеплені попарно, отримали назву диплококки, з'єднані у вигляді ланцюжка - стрептококи , у вигляді грон - стафілококи і ін. Рідше зустрічаються нитчасті форми (рис.6).

Прокаріоти широко розрізняються за своїми фізіологічними властивостями і дуже швидко діляться. Так, протягом 10-11 годин потомство однієї єдиної клітини в сприятливих умовах може досягти 4 млрд. Особин. Прокаріоти легко адаптуються до умов навколишнього середовища, у них дуже часті спонтанні мутації, а надзвичайне біохімічне різноманіття сприяє їх повсюдного поширення на Землі.

Плазматична мембрана (цитолемма) прокаріот виконує всі властиві функції: транспортну, захисну, розмежувальну, рецепції, сприйняття сигналів зовнішнього (для клітини) середовища, участі в імунних процесах, забезпечення поверхневих властивостей клітини. Крім того, плазматичні мембрани у них виконують ще ряд найважливіших функцій: в них локалізуються ферменти ланцюга перенесення електронів і окисного фосфорилювання, здійснюється синтез компонентів клітинної стінки і капсули, виведення позаклітинних ферментів. У фотосинтезуючих організмів фотосинтез також здійснюється на мембрані; на внутрішній стороні мембрани розташовані сайти зв'язування ДНК, кожна з дочірніх молекул ДНК після реплікації прикріплюється до одного з сайтів, в результаті зростання мембрани молекули ДНК розходяться, після чого формується перемичка, що розділяє клітку на дві (рис. 7).

Рис.7. Будова бактеріальної клітини: 1 - джгутик; 2 - капсула; 3 - мембрана; 4 - пили; 5 - Мезосоми; 6 - кільцева ДНК; 7 - цитоплазма; 8 - запасні поживні речовини; 9 - рибосома; 10 - клітинна стінка

Загальний принцип пристрою мембран прокаріотів не відрізняється від еукаріот, але в хімічному складі є відмінності (відсутній молекули холестерину і деяких інших ліпідів, властивих мембран еукаріот). У деяких мікроорганізмів плазматична мембрана впячивается всередину клітини, утворюючи стопки плоских мішечків, пов'язаних з цитолеммой. У ціанобактерій і деяких пурпурних бактерій є безліч мембранних тилакоидов, пов'язаних з мембраною і здійснюють фотосинтез. Тилакоїди також є похідними цітолемми, які утворюються в результаті її впячіваній. Деякі прокаріоти містять газові вакуолі (аеросоми). Все мембранні структури клітини прокаріотів безперервні.

Клітинна стінка прокаріотів виконує численні функції, в першу чергу, формоутворення і захист від осмотичного шоку. У різних клітинах клітинна стінка становить від 5 до 50% сухої маси клітини.

Відповідно до забарвленням, бактерії ділять на дві групи -грамположітельние і грамнегативні, що пов'язано з особливостями будови їх клітинних стінок. У грампозитивних клітин цитолемма оточена товстою (20-80 нм) клітинною стінкою, що складається з пептидоглікану муреина, тейхоевих кислот і полісахаридів; у грамнегативних - тонким (2-3 нм) шаром пептидоглікану, покритим зовнішньої мембраною. Якщо обробити клітку лизоцимом або пеніциліном, клітинна стінка руйнується. Грамположительная клітина перетворюється в протопласт, який вельми схильний до осмотическому шоку; грамотрицательная - в сферопласти, покритий двома мембранами і внаслідок цього менш чутливий до осмотическому шоку.

Капсули, слиз, піхви. Багато бактерій (наприклад, пневмококи, клебсієли, деякі клостридії та ін.) І деякі синьо-зелені водорості назовні від клітинної стінки мають шар сильно оводненности матеріалу, що утворює капсулу.

Капсули пов'язані з клітинною стінкою, мають товщину до 10 мкм. Капсули забезпечують стійкість бактерій до ряду дій, наприклад до фагоцитозу (підвищуючи вірулентність бактерій), надають бактеріям специфічність (в ній можуть знаходитися антигени), оберігають клітину від висихання, механічних пошкоджень, від дії вірусів, служать джерелом запасних поживних речовин, а також здійснюють зв'язок між клітинами і сприяють прикріпленню до будь-яких поверхнях.

Рухливість прокаріотів. Прокаріоти мають джгутиками, розташування яких може бути монополярним, біполярним і перитрихиально. За кількістю джгутиків розрізняють монотрихи (одна нитка) і політріхі (пучок ниток). Швидкість руху прокаріотів дуже велика - від 1,6 до 12 мм / хв. Структура джгутика складна і абсолютно відмінна від будови війок і джгутиків еукаріотів. Рухливі прокаріоти здійснюють спрямовані руху по градієнту концентрації деяких речовин - атрактантів або проти градієнта концентрації інших речовин - репелентів. Така поведінка називається хемотаксисом. При русі джгутиків проти годинникової стрілки клітина рухається в одному напрямку, при русі джгутиків за годинниковою стрілкою клітина перекидається. Під впливом атрактантів клітина більшу частину шляху проробляє прямолінійно, під впливом репелентів клітина частіше перекидається і віддаляється. Крім хемотаксису, існують і інші види таксіса. Аеротаксіс -аеробние бактерії спрямовуються до повітряному середовищі, а анаеробні, навпаки, накопичуються в центрі культури. Фототаксис - пурпурні бактерії переміщуються в зони з найбільшою освітленістю »що пов'язано з потребою фототрофних бактерій в кванти світла для отримання енергії. Магнетотаксис - залізовмісні бактерії рухаються в магнітному полі в напрямку ліній.

Фімбрії. Фімбрії, або пили, - це порожнисті нитки діаметром до 0,0015 мкм і довжиною від 0,3-5 мкм, утворені білком поліном. Вони розташовуються по периферії клітини в кількості 100-250. Фімбрії беруть участь в процесах прикріплення бактерій до клітин ссавців (наприклад, до слизової оболонки кишечника). У деяких бактерій є спеціалізовані фимбрии, зокрема F-фимбрии у кишкової палички, які беруть участь в процесі кон'югації і можуть служити органом прикріплення бактеріофагів.

Інші органели прокаріотів. Важливими відмітними особливостями прокариот є мала кількість мембранних органел і наявність безлічі рибосом (від 5 000 до 50 000 в клітці).

Внутрішньоклітинні запасні речовини. У прокаріотів клітинах можуть відкладатися полісахариди, ліпіди, поліфосфати. Кожен вид прокаріотів накопичує один тип запасних речовин.

Покояться форми. При несприятливих умовах зовнішнього середовища багато прокаріоти утворюють покояться форми, здатні зберігати життєздатність протягом тривалого часу. До таких форм відносять ендо- та екзоспори, цисти, бактероїди, гетероцисти і ін. Зріла спору стійка до різних несприятливих умов середовища, включаючи високу температуру, радіацію, ультрафіолетові промені, хімічні агенти. Спори можуть зберігатися протягом дуже тривалого часу (до 1000 років) при нормальних умовах. Однак при температурі 100 ° С 90% спор бактерій гине через 11 хвилин; 99% суперечка актиноміцетів гине при температурі 75 ° С через 70 хвилин, а при висушуванні вони зберігаються до 15 років. При поліпшенні умов зовнішнього середовища спора проростає. Проростання протікає в три етапи: активація, ініціація і власне проростання. При проростанні спору втрачає стійкість до зовнішніх чинників.

Харчування бактерій. За типом харчування бактерії ділять на дві групи: автотрофні і гетеротрофні. Автотрофні бактерії синтезують органічні речовини з неорганічних. Залежно від того, яку енергію використовують автотрофи для синтезу органічних речовин, розрізняють фото- (зелені і пурпурні серобактерии) і хемосинтезирующие бактерії (нитрифицирующие, железобактерии, безбарвні серобактерии і ін.). Гетеротрофні бактерії харчуються готовими органічними речовинами відмерлих залишків (сапротрофи) або живих рослин, тварин і людини (симбіонти).

До сапротрофами відносяться бактерії гниття і бродіння. Перші розщеплюють азотовмісні сполуки, другі - вуглець-містять. В обох випадках виділяється енергія, необхідна для їх життєдіяльності.

Розмноження. Бактерії розмножуються шляхом простого бінарного поділу клітини. Цьому передує самоудвоение (реплікація) молекули ДНК. Брунькування зустрічається як виняток.

У деяких бактерій виявлено спрощені форми статевого процесу. Наприклад, у кишкової палички статевої процес нагадує кон'югацію, при якій відбувається передача частини генетичного матеріалу з однієї клітини в іншу при їх безпосередньому контакті. Після цього клітини роз'єднуються. Кількість особин в результаті статевого процесу залишається колишнім, але відбувається обмін спадковим матеріалом, т. Е. Здійснюється генетична рекомбінація.

Спорообразование властиво тільки невеликій групі бактерій, у яких відомі два типи суперечка: ендогенні, що утворюються всередині клітини, і мікроцисти, що утворюються з цілої клітини. При утворенні спор (мікроцисти) в бактеріальної клітині зменшується кількість вільної води, знижується ферментативна активність, протопласт стискається і покривається дуже щільною оболонкою. Незважаючи на постійну загибель бактерій (поїдання їх найпростішими, дія високих і низьких температур та інших несприятливих чинників), ці примітивні організми збереглися з найдавніших часів завдяки здатності до швидкого розмноження (клітина може ділитися через кожні 20-30 хв), утворення спор, надзвичайно стійких до факторів зовнішнього середовища, і їх повсюдного поширення.

Енергетичний обмін. У мікроорганізмів, як і у еукарі-от, розрізняють два типи дихання: аеробне і анаеробне. Розрізняють декілька груп мікроорганізмів.

Суворі (облігатні) аероби ростуть тільки при наявності повітря, мають набір ферментів для аеробного дихання, роблять повне окислення вуглеводів до С02 і Н20.

Суворі анаероби можуть розвиватися лише в безкисневому середовищі, мають анаеробним диханням.

Факультативні анаероби здатні розвиватися як в безкисневих, так і в кисневих умовах. Процес дихання у них протікає в дві фази - спочатку фаза анаеробного зростання, а потім споживання кисню і більш глибоке розщеплення вуглеводів. Вони володіють обома наборами ферментів.

Мікроаерофіли розвиваються при низьких концентраціях кисню - до 1%. До них відносять спірохети, актиноміцети.

Аеротолерантнимі мікроби можуть розвиватися при знижених концентраціях кисню - до 10%. Прикладом можуть служити клостридії.

Капніческіе мікроби вимагають підвищеного вмісту вуглекислоти (наприклад, Brucella abortus).

Енергетичний обмін у прокаріотів в основному включає в себе ті ж етапи, що і у еукаріот.

Генетичний апарат прокаріотів. Однією з відмінностей прокаріотів є відсутність у них оформленого ядра. Замість нього є нуклеоїд. Величина генома у бактерій становить від 0,8х106 до 8х106 пар нуклеотидів. Крім хромосоми, у бактерій є плазміди -суперспіралізованние молекули двухнітчатую ДНК, ковалентно замкнуті в кільцеву структуру. Бактеріальні клітини можуть містити кілька плазмід. Плазміди здатні реплицироваться незалежно від хромосоми. Плазміди можуть перебувати в бактеріальної клітці в двох станах - автономному (в цитоплазмі) і інтегрованому (вбудовуються структуру бактеріальної хромосоми і реплікуються разом з нею). Плазміди здатні переноситися з клітки в клітку. Часто вони контролюють у бактерій певні властивості. До плазміди відносять також профагов - стадія існування помірних бактеріофагів. З плазмидами пов'язують патогенність ряду бактерій і їх окремих штамів.

Борелії. Бактерії відносяться до порядку Spirochaetales, сімейству Spirochaetaceae, роду Borrelia. Свою родову назву вони отримали на честь французького мікробіолога A.Borrel, який вивчав на початку ХХ століття цей різновид спирохет. Всі відомі види роду Borrelia морфологічно дуже подібні. Це грамнегативні спірохети, відносно легко фарбуються аніліновими барвниками, що відрізняє їх від інших родів спірохет. Іншою відмінною рисою боррелий є відсутність у них мітохондрій і ундулирующей мембрани. Довжина мікробної клітини - від 10 до 30 мкм, поперечний розмір складає 0,20-0,25 мкм. За формою являють собою звиту, ліво-або правовращающих спіраль.

В даний час по відмінностям в нуклеотидних послідовностях ДНК розрізняють більше 10 (13) геновідов боррелий, що відносяться до комплексу B.burgdorferi sensu lato, представники якого нерівномірно розподілені в межах світового нозоареала цієї інфекції. Не всі боррелии даного комплексу є патогенними для людини. Доведено патогенність 3 геновідов: B.burgdorferi sensu stricto, B.garinii і B.afzelii. Всі ці геновіди мають поширення на терріторііУкаіни (переважно B.garinii і B.afzelii).

Борелії in vitro культивуються тільки в середовищі збагаченої амінокислотами, вітамінами, альбуміном бичачої і кролячій плазми та іншими речовинами (модифікованому середовищі BSK-II). Температурний оптимум культивування становить 30-34оС. Борелії відрізняються відносно тривалим і непостійним періодом зростання на поживних середовищах в анаеробних умовах, який зазвичай становить 7-20 годин. При досягненні числа мікробних клітин 106 - 108 в мл можливе здійснення подальших лабораторних досліджень. Борелії вирощені в середовищі культивування добре зберігаються при низьких температурах (-70 ° -90 ° С) до декількох років, не втрачаючи своїх біологічних властивостей. Формалін, фенол, етиловий спирт і інші дезинфікуючі речовини, а також ультрафіолетове випромінювання володіють інактивує дію на боррелии.

Відсутність у боррелий генів кодування синтезу аміно- і жирних кислот, ко-факторів і нуклеотидів пояснює настільки високі вимоги до умов їх культивування з використанням сироваткових добавок. Крім того, оскільки боррелии хемоорганотрофние анаероби, то вони повинні отримувати енергію для синтезу АТФ від субстрату фосфорилювання, який є тільки в цитоплазмі інших клітин, тому що у боррелий немає генів, що кодують дихальний ланцюг фосфорилювання. Борелії також відчувають нестачу інших ферментів, необхідних для циклу трикарбонових кислот і фосфорилювання. Таким чином, здатність їх власних компонентів метаболізму настільки обмежена, що для свого існування вони повинні мати організм господаря (причому з переважним внутрішньоклітинним персистированием), який гарантує доступність поживних готових речовин.

Борелії мають одну лінійну хромосому і, крім того, ще до 20 кільцевих і лінійних плазмід, відомих ще під назвою -мікрохромосоми.

Екстрахромосомний (плазмідний) феномен генного кодування не є винятковою властивістю боррелий, подібне спостерігається і у деяких інших представників прокаріот. Однак той факт, що боррелии можуть мати досить велику кількість лінійних і кільцевих плазмід виділяє їх серед інших мікроорганізмів. Наступною особливістю боррелий є те, що плазміди виявляються переважно при первинній ізоляції штамів в культурі, наступні пересівання призводять до зменшення їх числа і навіть повної елімінації, в зв'язку з чим, змінюється і антигенний профіль збудника, що приводить до повної втрати інвазивності.

Білковий (антигенний) спектр боррелий вельми варіабельний і різний не тільки у боррелий різних геновідов, але і серед ізолятів одного геновіда.

Борелії мають групи антигенів: поверхневі (OspA, OspB, OspD, OspE і OspF), жгутиковий і цитоплазматический. Поверхневі антигени характеризуються варіабельністю. Найбільша їх гетерогенність виявляється у B.garinii (по OspC - 13 варіантів, по OspA - 7) і B.afzelii (по OspC - 8, по OspA - 2). Штами B.burgdorferi s.s. відрізняються відносною сталістю спектра поверхневих білків. Білки, що знаходяться на зовнішній оболонці, визначають видову приналежність збудника і є основними імуногенний. Багато антигенні детермінанти зовнішньої оболонки подібні до таких у боррелий інших видів і навіть деяких бактерій. Цим пояснюється можливість перехрещення в імунологічних реакціях.

В даний час встановлено і досить добре вивчені і деякі інші мембранні антигени борелій: p83 / 100, Oms66 (p66), BmpA (p39), HSP60 (p60), p18, OspD, OspE, OspF.

Генетична інформація більшості з них знаходиться в плазмидах, тому, втрата окремих плазмід, наприклад, при тривалій персистенції борелій в організмі людини, обов'язково тягне за собою і зміну структури поверхневих антигенів, а значить і імунної відповіді.